巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置設(shè)計(jì)

國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司 萬(wàn) 能 汪 曉 寧 彥 焦玉平 吳曉春

巡檢無(wú)人機(jī)的應(yīng)用解放了大量的巡檢人員，使巡檢工作人員無(wú)需進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，保障了巡檢人員的生命安全，又提高了巡檢效率和巡檢的準(zhǔn)確率，但是巡檢無(wú)人機(jī)普遍存在工作時(shí)間短、充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。為解決巡檢無(wú)人機(jī)續(xù)航能力不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置。首先設(shè)計(jì)出巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置的基本構(gòu)架，完善AC/DC整流模塊、AC/DC逆流模塊、AC/DC充電模塊之間能量相互轉(zhuǎn)換的方式，以實(shí)現(xiàn)充電和放電的目的。根據(jù)以上構(gòu)架詳細(xì)設(shè)計(jì)巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置的AC/DC整流和AC/DC逆變裝置。設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證使用備用電池方式做應(yīng)急充電設(shè)備的巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的，確實(shí)節(jié)省了巡檢時(shí)間，提高了巡檢效率。

在工業(yè)與人口規(guī)模都在不斷擴(kuò)張的現(xiàn)代社會(huì)，無(wú)論是生活還是工業(yè)對(duì)于電量的需求都在不斷增加，因此電網(wǎng)的規(guī)模也在迅速增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的電網(wǎng)巡檢采用人工方法，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還存在較高的錯(cuò)誤率。因此在無(wú)人機(jī)技術(shù)能夠應(yīng)用于實(shí)際之后，巡檢機(jī)器人被正式應(yīng)用于電網(wǎng)巡檢領(lǐng)域。電力公司采用巡檢無(wú)人機(jī)進(jìn)行電網(wǎng)巡檢工作，不但能夠迅速反應(yīng)，節(jié)約人力物力，還能夠不受干擾不怕危險(xiǎn)地進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，不受到地形限制。但是由于高強(qiáng)度的作業(yè)，巡檢無(wú)人機(jī)通常具備續(xù)航能力不足的隱患，一般的巡檢無(wú)人機(jī)都只能一次性工作25-30min，一次充電滿需要4-6h，完全無(wú)法承擔(dān)繁重的電網(wǎng)巡檢工作，通常只被用于重點(diǎn)區(qū)域的巡檢。為了能夠使巡檢無(wú)人機(jī)滿足電網(wǎng)巡檢工作的需求，有一些電力公司在巡檢無(wú)人機(jī)巡視電網(wǎng)的路途中設(shè)置了一種充電樁，并在巡檢無(wú)人機(jī)的機(jī)身上安裝接口與控制程序，使巡檢無(wú)人機(jī)能夠在電力不足時(shí)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)充電樁充電。但是這種自動(dòng)充電的方式只是縮短了巡檢無(wú)人機(jī)返回出發(fā)點(diǎn)充電的路途，仍然需要巡檢無(wú)人機(jī)停下來(lái)補(bǔ)充電力，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠使巡檢無(wú)人機(jī)在行動(dòng)過(guò)程中給電池應(yīng)急充電的裝置。首先需要進(jìn)行巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置基本構(gòu)架的設(shè)計(jì)，搭建巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置的基本機(jī)構(gòu)，建立AC/DC整流模塊、AC/DC逆流模塊、AC/DC充電模塊、APP外接設(shè)備智能充電模塊，并設(shè)置充電和放電的基本方式。然后再分別具體設(shè)計(jì)AC/DC整流裝置和AC/DC逆變裝置，以此確定電壓的輸出范圍以及增強(qiáng)電源的安全性和可靠性。最后設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，將使用充電樁作為應(yīng)急設(shè)備的巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置與使用備用電池作為應(yīng)急設(shè)備的巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)巡檢時(shí)間的比較，確定本文設(shè)計(jì)的裝置確實(shí)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

1 巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置基本構(gòu)架研究

巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置主要在于在巡檢無(wú)人機(jī)上安裝一個(gè)備用電池，在巡檢無(wú)人機(jī)主電池中的電量沒(méi)有耗盡時(shí)，備用電池的開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，只有當(dāng)主電池中的電量耗盡后，備用電池才會(huì)在智能系統(tǒng)的管理下打開(kāi)開(kāi)關(guān)，與巡檢無(wú)人機(jī)相連接。因此在巡檢無(wú)人機(jī)的電池應(yīng)急充電裝置中，最核心的系統(tǒng)就是應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，巡檢無(wú)人機(jī)的電池應(yīng)急充電裝置主要由發(fā)電機(jī)、電能接收器、AC/DC整流模塊、AC/DC逆流模塊、AC/DC充電模塊、APP外接設(shè)備智能充電模塊以及巡檢無(wú)人機(jī)備用電池組成。在日常的電網(wǎng)檢修或巡查過(guò)程中，往往沒(méi)有大量的時(shí)間耗費(fèi)在充電上，因此當(dāng)巡檢無(wú)人機(jī)中有備用電池可以一邊行進(jìn)一邊充電時(shí)，就會(huì)非常方便。該系統(tǒng)的主要構(gòu)架設(shè)計(jì)是將AC/DC整流模塊、AC/DC逆流模塊、AC/DC充電模塊中的能量相互轉(zhuǎn)換，以完成充電和放電的目的。

2 巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 AC/DC整流裝置設(shè)計(jì)

在充電過(guò)程中，需要將巡檢無(wú)人機(jī)的備用電池額外取出，固定在充電場(chǎng)所中，利用汽油發(fā)電機(jī)和AC/DC整流裝置，將原本汽油發(fā)電機(jī)中產(chǎn)出的220V電壓整流為24V的安全電壓，輸入進(jìn)巡檢無(wú)人機(jī)的備用電池中。備用電池一般使用鋰電池組或鉛酸蓄電池組，將充入的電量?jī)?chǔ)存在電池中，為向外輸電做出準(zhǔn)備。整流裝置的控制部分主要分為兩個(gè)部分，其前級(jí)交錯(cuò)為并聯(lián)的PFV控制芯片技術(shù)，主要應(yīng)用于電壓電流的保護(hù)與控制，后級(jí)全橋則是應(yīng)用于輸出電壓的范圍調(diào)節(jié)。

2.2 AC/DC逆變裝置設(shè)計(jì)

在放電的過(guò)程中，既可以將巡檢無(wú)人機(jī)停下，也可以在巡檢無(wú)人機(jī)行進(jìn)巡檢的過(guò)程中持續(xù)放電。將已經(jīng)充電完畢的備用電池所儲(chǔ)存的24V直流電通過(guò)AC/DC充電模塊輸入進(jìn)巡檢無(wú)人機(jī)中，達(dá)成巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電的目的。也可以通過(guò)AC/DC逆流裝置，將已經(jīng)儲(chǔ)存在巡檢無(wú)人機(jī)備用電池中的24V電壓逆轉(zhuǎn)為220V電壓，與跟隨巡檢無(wú)人機(jī)同時(shí)前進(jìn)的外設(shè)計(jì)算機(jī)相連，給筆記本電腦或平板電腦等設(shè)備充入220V電壓。逆變裝置的主電路采用前后隔離的技術(shù)手段，前路為升壓電路，將電壓升高到一定范圍之后，再實(shí)現(xiàn)前后電路之間的隔離。后級(jí)電路為全橋逆變電路，一般應(yīng)用于增強(qiáng)電源的安全可靠性能。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在本文設(shè)計(jì)的備用電池應(yīng)急充電方式之前，還有一種應(yīng)急充電方式，即充電樁應(yīng)急充電方式。充電樁應(yīng)急充電主要是在巡檢無(wú)人機(jī)的必經(jīng)之路上提前設(shè)置若干充電樁，在巡檢無(wú)人機(jī)電量不足時(shí)，無(wú)需返回出發(fā)點(diǎn)的主控機(jī)房進(jìn)行充電，而是可以直接使用分布在道路兩旁的充電樁進(jìn)行應(yīng)急充電，這樣既可以省略往返的時(shí)間，又能夠省略巡檢無(wú)人機(jī)在路上所需的電量。但是即使是這樣，對(duì)于耗電量極高，充電時(shí)間極長(zhǎng)的巡檢無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)也無(wú)法大幅度地提高巡檢效率，因此上文中設(shè)計(jì)了一種理論上能夠極大地增加巡檢效率的應(yīng)急充電裝置。為了確保上文設(shè)計(jì)的應(yīng)急充電裝置確實(shí)較充電樁應(yīng)急充電方式在巡檢過(guò)程中所需時(shí)間更少，設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作

本實(shí)驗(yàn)因場(chǎng)地問(wèn)題只能在計(jì)算機(jī)中使用仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，需要提供以下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)采用Flexsim作為仿真軟件，通過(guò)Flexsim能夠直接構(gòu)建一個(gè)關(guān)于離散時(shí)間系統(tǒng)的仿真模型，以達(dá)到測(cè)算兩種應(yīng)急充電裝置巡檢時(shí)間的目的。首先需要規(guī)劃電池電量的參數(shù)。設(shè)電池充電時(shí)間為100min，使用備用電池應(yīng)急充電裝置的巡檢無(wú)人機(jī)中除主電池外還需配備兩個(gè)備用電源，設(shè)每臺(tái)電池從開(kāi)始工作到電量耗盡需30min，一個(gè)電池的電量耗盡后，就會(huì)開(kāi)啟另一個(gè)備用電池的電源，兩個(gè)備用電池的電量同樣可以支持巡檢無(wú)人機(jī)運(yùn)行30min。如此一來(lái)，一臺(tái)巡檢無(wú)人機(jī)從開(kāi)始運(yùn)行到結(jié)束就能夠連續(xù)運(yùn)行1h30min。而使用充電樁應(yīng)急充電裝置進(jìn)行應(yīng)急充電的巡檢無(wú)人機(jī)中，只配備一臺(tái)主電池，則該類型的巡檢無(wú)人機(jī)只能運(yùn)行30min。然后需要規(guī)劃巡檢路線，在這條巡檢路線上共有20個(gè)距離不一的虛擬電站，將各電站按順序變?yōu)?-20號(hào)，設(shè)巡檢無(wú)人機(jī)在電站中巡檢所用的時(shí)間為5-7min不等，整條巡檢路線的總長(zhǎng)度需要巡檢無(wú)人機(jī)行走90min，在巡檢路線上設(shè)置若干充電樁，尋找充電樁需要1-3min不等，在本實(shí)驗(yàn)中會(huì)以隨機(jī)數(shù)的形式存在。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)行Flexsim程序，將得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到如表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如表2所示，在同樣90min的巡檢路線下，因?yàn)槌槿‰S機(jī)數(shù)的差異，使用備用電池裝置進(jìn)行應(yīng)急充電的巡檢無(wú)人機(jī)在巡檢過(guò)程中用時(shí)90min，使用充電樁裝置進(jìn)行應(yīng)急充電的巡檢無(wú)人機(jī)在巡檢過(guò)程中用時(shí)88min，兩者在整條巡檢路線上的用時(shí)只有2min的差距。但是使用充電樁裝置進(jìn)行應(yīng)急充電的巡檢無(wú)人機(jī)在最終的總用時(shí)比較中約為使用備用電池裝置進(jìn)行應(yīng)急充電的巡檢無(wú)人機(jī)的2.4倍，傳統(tǒng)的充電樁裝置在巡檢過(guò)程中所用的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本文設(shè)計(jì)的裝置，這些多出的時(shí)間全部都是在進(jìn)行充電。因此可以判斷，本文設(shè)計(jì)的使用備用電池裝置進(jìn)行應(yīng)急充電的巡檢無(wú)人機(jī)能夠極大限度地縮短巡檢無(wú)人機(jī)的充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目的。

結(jié)束語(yǔ)：本文主要針對(duì)在用電量急劇增加的前提下，為了保障電網(wǎng)中巡檢工作的順利實(shí)施，使巡檢人員無(wú)需進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，為了提高巡檢的效率和準(zhǔn)確率，放棄了以往的充電樁應(yīng)急充電方式，改用備用電池的方式進(jìn)行應(yīng)急充電。設(shè)計(jì)了巡檢無(wú)人機(jī)電池應(yīng)急充電裝置的基本構(gòu)架，并詳細(xì)規(guī)劃了AC/DC整流裝置和AC/DC逆變裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以明確，傳統(tǒng)的充電樁應(yīng)急充電方式，在巡檢的效率上遠(yuǎn)不及本文設(shè)計(jì)的備用電池充電方式。且充電樁的應(yīng)急充電過(guò)程中需要將插頭與電源相對(duì)接，在這個(gè)過(guò)程中總是會(huì)出現(xiàn)對(duì)接不上的問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)充電。因此在日后的巡檢無(wú)人機(jī)應(yīng)急充電時(shí)，可以直接使用更具備實(shí)行性的備用電池充電方式。